關于光合磷酸化的機理有多種學說，如中間產物學說、變構學說、化學滲透學說等，其中被廣泛接受的是化學滲透學說。
化學滲透學說(chemiosmotic theory)由英國的米切爾(Mitchell，1961)提出，該學說假設能量轉換和偶聯機構具有以下特點：
①由磷脂和蛋白多肽構成的膜對離子和質子的透過具有選擇性
②具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱地嵌合在膜內。
③膜上有偶聯電子傳遞的質子轉移系統。
④膜上有轉移質子的ATP酶。在解釋光合磷酸化機理時，該學說強調：光合電子傳遞鏈的電子傳遞會伴隨膜內外兩側產生質子動力(proton motive force,pmf)，并由質子動力推動ATP的合成。許多實驗都證實了這一學說的正確性。